【正文】 Ke X s?? ??? （ ） 同樣可以得出相同的傳遞函數(shù)： K 11Ts? se?? 第 2章 退火爐系統(tǒng)的模型構(gòu)建 10 () 1 sKG s eTs ??? ? （ ） 上式中 T 為一階慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)， K 為系統(tǒng)的放大系數(shù)， ? 為被控對象的滯后時間。其特點表現(xiàn)為：輸出是輸入的完整復現(xiàn)，只是信號在傳遞過程中延時了一段時間。慣性環(huán)節(jié)是指：當輸入 ()Xt為單位階躍信號時輸出 ()Yt不能立刻響應輸入信號達到穩(wěn)態(tài)值，而是瞬態(tài)輸出以指數(shù)規(guī)律變化形式，經(jīng)過一段時間過渡后達到穩(wěn)態(tài)輸出。下面簡要介紹在控制系統(tǒng)中常常會遇到的一些基本環(huán)節(jié)。若要對退火爐建模，我們就需要對控制設備和被控對象的動態(tài)性能熟悉了解， 進而才能對被控對象進行動態(tài)分析。 [7] 煤氣罩式退火爐的建模 系統(tǒng)的動態(tài)特性分析 對于任何一個控制系統(tǒng)而言，被控對象和控制系統(tǒng)都是其必要的組成部分。 T4：自由降溫階段。 T3：保溫階段。 T2：升溫階段。 圖 22 罩式退火爐溫度變化曲線 其中： 工質(zhì) 保護氣體 煤氣閥 空氣閥 外罩 內(nèi)罩 溫度 Y1 Y2 T1 T2 T3 T4 時間 第 2章 退火爐系統(tǒng)的模型構(gòu)建 8 T1：快速升溫階段。系統(tǒng)的降溫階段為圖中的 T4 階段。在此階段中，溫度是按照某一個設定的速度逐步升 高到 700℃，這個過程需要引入大林算法控制器來進行控制。這個指標的實現(xiàn)需要煤氣和空氣的混合氣體在內(nèi)、外罩之間的燃燒，同時使保護性氣體充入到內(nèi)罩的內(nèi)部。在這段中，煤氣和空氣閥門的開度均達到了最大。 常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業(yè)設計說明書 7 圖 21 罩式退火爐結(jié)構(gòu)圖 煤氣罩式退火 爐在各個溫度階段的特點 罩式退火爐根據(jù)溫度變化大致可以劃分為四個階段，即快速升溫階段，升溫階段，保溫階段和自由降溫階段。在四個過程中，升溫階段和保溫階段均要求溫度的控制精度保持在低于177。退火爐的流程主要暴多四個階段，即快速升溫，升溫，保溫，降溫階段?？諝夂兔簹獾拈y門都是選用蝶閥，蝶閥的開關(guān)一般可以通過電機執(zhí)行機 構(gòu)在連桿的作用下帶動轉(zhuǎn)動，進而可以自動實現(xiàn)閥門開度的自動調(diào)節(jié)。退火爐測量獲得的溫度數(shù)值實際上是退火爐內(nèi)罩中保護性氣體的溫度。兩個蝶閥主要用來控制空氣和煤氣的燃燒比，調(diào)節(jié)蝶閥的不同開合程度就可以調(diào)節(jié)煤氣和空氣的混合比。外罩的內(nèi)側(cè)鑲嵌著噴嘴，混合 的空氣和煤氣的混合氣體通過噴嘴處釋放，噴嘴總共 12 個，分上下兩層分布。另外，外罩和控制閥門通過煤氣閥門連接，這樣可以方便往罩里面充入燃燒氣體。 [6]其中，外罩的作用是將整個爐結(jié)構(gòu)和外部環(huán)境隔離，爐的內(nèi)、外罩之間的空間充入空氣和煤氣混合氣體并通過燃燒給系統(tǒng)供熱。 煤氣罩式退火爐結(jié)構(gòu) 煤氣罩式退火爐包括內(nèi)罩和外罩兩個部分。在退火爐系統(tǒng)中，如果溫度參數(shù)出現(xiàn)了超調(diào)，系統(tǒng)就會無法實現(xiàn)自動控制。因而如何控制退火爐系統(tǒng)，怎樣進行控制以及控制性能如何成為了我們關(guān)注的焦點問題?？諝夂兔簹獾幕旌蠚怏w是退火爐加熱鋼材的燃料，煤氣空氣的混合氣體燃燒產(chǎn)生較高的溫度能夠很好的實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn) 所需要的溫度要求，同時由于原料來源廣泛且獲取容易，因而得到了廣泛的應用。最后文章介紹了課題研究的內(nèi)容，介紹了本文進行課題研究的思路和研究過程，采用 MATLAB仿真軟件，對系統(tǒng)的數(shù)學模型進行仿真，并通過仿真圖對不同控制算法進行比較。文章然后分析了國內(nèi)外關(guān)于溫度控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，目前為止已經(jīng)出現(xiàn)了包括 PID控制、大林控制、史密斯預估控制以及各種智能控制在內(nèi)的算法，我國的學者和技術(shù)人員對帶有純滯后環(huán)節(jié)的系統(tǒng)的研究也有了很大的突破。 [5] 第 1章 緒論 5 通過傳統(tǒng) PID 控制算法和大林控制算法的研究兩種方法對系統(tǒng)動靜態(tài)特性的影響，要使得系統(tǒng)響應無超調(diào)，而且動靜態(tài)特性都比較合理，控制器的控制效果穩(wěn)定。最后，討論系統(tǒng)控制對象參數(shù)發(fā)生失配的情況下，大林控制器的控制效果。再通過大林算法設計程序進行仿真，得到并分析系統(tǒng)仿真圖，尋找與傳統(tǒng) PID算法相比的優(yōu)勢。然后針對退火爐系統(tǒng)的數(shù)學模型采用 PID 控制算法和大林算法分別對系統(tǒng)進行仿真控制，并對控制中出現(xiàn)的問題進行改進。接著主要介紹了幾種處理帶有純滯后環(huán)節(jié)的系統(tǒng)的控制算法，包括傳統(tǒng) PID 算法、史密斯預估控制算法、大林算法。而且，如果系統(tǒng)的純滯后時間很大，系統(tǒng)甚至會變得不穩(wěn)定，因而很難控制此類系統(tǒng)使之有較好的控制效果。 課題研究的內(nèi)容 如果系統(tǒng)的控制對象的純滯后出現(xiàn)在擾動通道中，那么系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)方程就不會受到影響。 解決工業(yè)系統(tǒng)中帶有純滯后環(huán)節(jié)的設備控制問題，抑制其產(chǎn)生的有害影響，有利于改善生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量，優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)境，提高能源的利用效率等方面都有很重要的作用。以退火爐系統(tǒng)為入口，將大林算法引入溫度控制系統(tǒng)， 使溫度系統(tǒng)的響應更快，系統(tǒng)超量很小甚至無超調(diào)，實現(xiàn)無誤差控制。 退火爐系統(tǒng)是一類帶有時滯特性的溫度系統(tǒng)。在退火爐系統(tǒng)中，如果溫度參數(shù)出現(xiàn)了超調(diào)，系統(tǒng)就會無法實現(xiàn)自動控制。因而如何控制退火爐系常州工學院電子信息與電氣學院畢業(yè)設計說明書 4 統(tǒng)，怎樣進行控制以及控制性能如何成為了我們關(guān)注的焦點問題。退火爐加熱鋼材主要是以空氣和煤氣的混合氣體作為燃料，煤氣空氣的混合氣體燃燒產(chǎn)生較高的溫度能夠很好的實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)所需要的溫度要求，同時由于原料來源廣泛且獲取容易，因而得到了廣泛的應用。至于較小的系統(tǒng)，既要節(jié)約成本，又想要在時間上和需求上實現(xiàn)控制的穩(wěn)定快速則很難利用 DCS、 PLC 等系統(tǒng)實現(xiàn)控制，因而目前控制小型退火爐的智能系統(tǒng)仍然采用人工控制的現(xiàn)場儀表。同時由于罩式退火爐群中每一個都有內(nèi)外罩，空燃混合氣體得以在其中間燃燒，計算機控制技術(shù)的引入更好的指導爐臺裝鋼板，智能選取剛?cè)∠碌臒嵬庹?，很大程度上?jié)約了燃料。 計算機控制不僅應用于傳統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，還運用咋退火爐的控制管理上面。有很大一部分大型的煉鋼廠早已開始運用罩式退火爐微型機控制系統(tǒng)，利用現(xiàn)代控制理論的輸出跟蹤的自適應控制技術(shù)可以使顯著的改善系統(tǒng)的控制精度，使得系統(tǒng)控制更為精確。利用這三種方法就可以很好實現(xiàn)控制空燃比以達到預期的目的。2)雙交叉限幅法 。尤其是當燃燒負荷產(chǎn)生變化的時候，這種最佳配比的保持就更難實現(xiàn)。人們通過對傳統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)采取多種多樣的補充和完善使其得以實現(xiàn)較好的控制性能。 第 1章 緒論 3 當前人們一直嘗試著發(fā) 現(xiàn)新的控制算法來完善系統(tǒng)性能。像諸如 PLC、 DCS 等軟件，其操作非常簡單，滿足于大多數(shù)人的操作要求，而且編輯也較為簡單，不需要煩人的編排程序過程，使用專門的操作語言，又不需要專門的編程人員就能夠自己進行編譯程序，但是這類軟件存在一個問題：它們必須通過借助其他的輔助設備完成工作而不可以單獨使用。比如，單片機、可編程控制器、集散系統(tǒng)及工業(yè)控制機等先進的控制系統(tǒng)。 到了上世紀 80 年代后期，國內(nèi)開始對退火爐的控制算法和系統(tǒng)實現(xiàn)進行了廣泛而深入的研究，由于計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，退火爐的計算機控制已經(jīng)逐步實現(xiàn)實用化。魯棒控制和變結(jié)構(gòu)控制針對時滯控制系統(tǒng)的控制在理論上的研究也很成功，但他們計算復雜，有時會出現(xiàn)找不到解的情況，因此，其應用價值在當前仍然有限。神經(jīng)網(wǎng)絡有學習與適應嚴重不確定性動態(tài)特性的能力， 并且具有很強的魯棒性和容錯性，模糊控制理論具有處理不精確信息的能力，從而使模糊控制能模仿人的經(jīng)驗對復雜被控對象進行專家式的控制，但是對于時滯過程，如何獲得有效的控制規(guī)則仍然是一個難題。 在基于參數(shù)模型的控制方法中， Smith 預估控制和 Dahlin 控制是最經(jīng)典和最成熟的方法，它不僅使設定值和外部擾動輸入的穩(wěn)態(tài)誤差為零，還可以結(jié)合很多智能控制方法形成各種改進的智能控制系統(tǒng)，提高控制的品質(zhì)。近幾十年來，國內(nèi)外的學者和工程技術(shù)人員對時延控制過程進行了大量的研究，取得了相當?shù)倪M展。而模糊控制算法包括模糊 PID 法、自適應模糊法、專家常州工學院電子信息與電氣學院畢業(yè)設計說明書 2 控制、模糊自整定法等則屬于無模型的控制方法。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 從上個世紀 50 年代，對于 具有純滯后環(huán)節(jié)的工業(yè)過程的控制就出現(xiàn)了兩種類型的控制方法：無模型方法和基于模型的方法。 [1]因此，傳統(tǒng)的 PID 控制方法很難獲得獲得滿意的控制效果。在退火工藝中，鋼材的熱源由空氣和煤氣的混合氣體的燃燒提供，通過控制煤氣和空氣的進氣閥門來控制煤氣和空氣的比例。當前，人們的研究焦點集中在復雜系統(tǒng)的控制方面，這類算法通常控制算法相對復雜，對于較為簡單的溫度系統(tǒng)的研究則少有涉獵，而研究簡單算法控制對市場運作和復雜系統(tǒng)的研究與應用都有很大的價值和參考意義。 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，各工業(yè)國都對溫度供給設備進行了系統(tǒng)的研究，也取得了一定的進展，長期的工業(yè)實踐表明，保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高能源利用的最為有效的方法就是改進系統(tǒng)的控制技術(shù)。研究工業(yè)控制對象的大時延特性所引起的不利影響，使得能夠得到有效控制，對于保證安全生產(chǎn)，實現(xiàn)工業(yè)過程的連續(xù)化、高效率低消耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量與經(jīng)濟效益都有著舉足輕重的作用。本篇論文的課題來源于工件生產(chǎn)中技術(shù)改造煤氣罩式退火爐。近年來，隨著鋼材市場競爭的不斷加劇，人們對鋼材的質(zhì)量要求越來越高，因而對于生產(chǎn)過程中的溫度控制要求也更佳精 確。鋼材的加工和成品生產(chǎn)過程的關(guān)鍵工序是退火工藝，退火的目的是為了改善鋼材的工藝性能，使得生產(chǎn)出來的鋼材能夠滿足所要求的機械性能和適應性能。 PID Controller。 關(guān)鍵詞： 退火爐；大林算法； PID 控制器；純滯后 Abstract II Abstract The temperature control is the main problem discussed in this paper, and the annealing furnace system is selected as an example of a typical model of the firstorder inertial system with pure hysteresis characteristics. As an important device for heat treatment of steel, the annealing furnaces are widely applied in the modern production process. Firstly, the origin and background of this issue is discussed, and the current research status is briefly introduced, it has been told that there are several control methods in the world, and each of them has its different characteristics. In the next part, the purpose and significance of our research are mentioned. Then the structure of the system and the working principle of the annealing furnace is discussed in the paper. The transfer function of the system is achieved by means of the step curve method. It has been known to us that there were several mon control algorithms in the industrial field, including the traditional PID control method, the Dahlin control algorithm, Smith predictive control algorithm. The advantages and disadvantages of various control methods is obtained by parison. Then, the annealing furnace system is been simulated by the methods of the traditional PID control algorithm and the Dahlin algorithm respectively. It is found that it is difficult for the traditional PID control method to solve the control system with pure hysteresis characteristics to achieve a fare control consequence. Usually, the overshoot of the system response is la